一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统的制作方法

1.一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，属于水泥厂窑筒壁余热利用技术领域。


背景技术：

2.随着我国经济的高速发展，水泥工业作为重要的基础原料产业，实现了自身的膨胀式发展，在水泥窑生产过程中，回转窑是整个工艺的核心部分，其能耗占生产总能耗的85%以上，回转窑内温度高达上千度，窑体表面温度也有250℃~350℃甚至更高，在大量余热被浪费的同时，也增加了周围环境的热污染，因此水泥行业的节能减排关键在于回转窑处能量的高效利用。目前一般用水作为介质来回收利用窑炉的能量，后续用于生活取暖或者发电，然而水在换热过程温度波动较大对换热器的压力负担较大，容易导致机组使用寿命降低，而且水在传输过程中很容易造成热量散失，使得回转窑处热利用率降低。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，采用灌注相变蓄热材料的传热球作为传热介质，减少粉体传输过程中的热量散失提高余热利用率。
4.为实现上述目的本实用新型采用的技术方案是：一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，包括窑筒壁余热回收装置、粉体流换热器、粉体输送机构以及蒸汽做功机组；所述窑筒壁余热回收装置的传热介质出口与所述粉体流换热器的传热介质入口连接，粉体流换热器的传热介质出口与所述粉体输送机构的传热介质入口连接，粉体输送机构的传热介质出口与所述窑筒壁余热回收装置的传热介质入口连接形成换热回路，所述换热回路的传热介质为若干个灌注相变蓄热材料的传热球；所述粉体流换热器的热流体出口与所述蒸汽做功机组的工质入口连接，所述蒸汽做功机组的工质出口与所述粉体流换热器的工质入口连接。
5.优选的，所述传热球的相变蓄热材料为石蜡，所述传热球由两块半球钢片通过螺纹连接组成，石蜡的灌注量小于传热球容积的三分之二，石蜡的灌注量为石蜡在固态时的体积。
6.优选的，所述传热球的直径为0.8~1.5厘米。
7.优选的，所述蒸汽做功机组包括汽轮机、冷凝器、工质泵、发电机以及冷却水塔，所述粉体流换热器的热流体出口与所述汽轮机的进汽口连接，所述汽轮机的输出轴与所述发电机的输入轴连接，所述汽轮机的出汽口与所述冷凝器的入口连接，所述冷凝器的出口与工质泵的入口连接，所述工质泵的出口与粉体流换热器的工质入口连接形成做功回路；所述冷却水塔的出水口连接冷凝器水管入口，所述冷却水塔的进水口连接冷凝器的出口。
8.优选的，所述蒸汽做功机组还包括发电机集热装置，所述发电机集热装置罩设在发电机外壳周围，发电机集热装置的入口连接冷却水塔的出水口。
9.优选的，所述冷却水塔的出水口还设置有流量调节阀。
10.优选的，所述蒸汽做功机组还包括闪蒸器，所述粉体流换热器的补汽口与所述闪蒸器的入口连接，所述闪蒸器的出汽口与所述汽轮机的补汽口连接，所述闪蒸器的出液口与所述工质泵的回液通道连接。
11.优选的，所述粉体输送机构包括螺旋输送机和粉体输送泵，粉体流换热器的传热介质出口与所述螺旋输送机的传热介质入口连接，螺旋输送机的传热介质出口与所述粉体输送泵的传热介质入口连接，粉体输送泵的传热介质出口与所述窑筒壁余热回收装置的传热介质入口连接。
12.优选的，所述窑筒壁余热回收装置由至少两个围设在窑筒壁外侧的集热单元组成，集热单元内设置有多条粉体管道。
13.优选的，所述粉体流换热器为板式粉体流换热器，包括进料仓、出料仓、换热板和换热间，换热间设置在进料仓与出料仓之间，多个换热板垂直立于换热间，所述换热板表面设有凹槽。
14.与现有技术相比，上述技术方案具有如下有益效果：
15.1、本实用新型采用灌注相变蓄热材料的传热球作为换热介质，吸放热过程中相变蓄热材料产生相变，在与工质换热的过程中温度波动比较稳定，换热时蓄热材料相变产生的压力由传热球球体承担，换热器的压力负担较小，运行过程更加安全，机组使用寿命延长，且相变蓄热能够最大程度的减少粉体传输过程中的热量散失，余热利用率高。
16.2、加入发电机集热装置收集发电机工作产生的热能，实现余热回收梯级利用，热利用率大大提高，带来显著的经济效益。
17.3、加入闪蒸器，部分工质进入闪蒸器进行扩容，产生低压的饱和蒸汽对汽轮机进行补汽做功，提高了发电效率。
附图说明
18.图1为本实用新型的系统示意图。
19.图2换热粉体的结构示意图。
20.图3为窑筒壁余热回收装置的结构示意图。
21.图4为窑筒壁余热回收装置的主视图。
22.图5为粉体流换热器内部结构图。
23.图6为发电机集热装置结构图。
24.图7为发电机集热装置主视图。
25.其中：1、窑筒壁余热回收装置2、粉体流换热器3、螺旋输送机4、粉体输送泵5、汽轮机6、冷凝器7、工质泵8、闪蒸器9、发电机10、生活蓄热水池11、冷却水塔12、左半球体钢片13、石蜡14、右半球体钢片15、左集热单元16、右集热单元17、粉体管道18、换热板19、进水总管20、出水总管21、进料仓22、出料仓23、传热球。
具体实施方式
26.图1~7是本实用新型的最佳实施例，下面结合附图1~7对本实用新型做进一步说明。
27.实施例1：
28.如图1所示，本实用新型的一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统包括窑筒壁余热回收装置1、粉体流换热器2、粉体输送机构和蒸汽做功机组，窑筒壁余热回收装置1在回转窑外壁平行设置，窑筒壁余热回收装置1的介质出口连接粉体流换热器2的介质入口，粉体流换热器2的介质出口连接粉体输送机构的介质入口，粉体输送机构的介质出口连接窑筒壁余热回收装置1的介质入口形成回路；粉体流换热器2 的热流体出口连接蒸汽做功机组的介质入口，蒸汽做功机组的介质出口连接粉体流换热器2的介质入口形成做功回路。
29.具体的 ，粉体输送机构包括螺旋输送机3和粉体输送泵4，粉体流换热器2的介质出口连接螺旋输送机的介质入口，螺旋输送机3的介质出口连接粉体输送泵4的介质入口，粉体输送泵4的介质出口连接窑筒壁余热回收装置1的介质入口。
30.蒸汽做功机组包括汽轮机5、冷凝器6、工质泵7、发电机9和冷却水塔11，粉体流换热器2的热流体出口与汽轮机5的进汽口连接，汽轮机5的输出轴与发电机9的输入轴连接，汽轮机5的出汽口与冷凝器6的入口连接，冷凝器6的出口与工质泵7的入口连接，工质泵7的出口与粉体流换热器2的工质入口连接形成回路，冷却水塔11对冷凝器6提供循环冷水，冷却水塔11的出水口连接冷凝器6的水管入口，完成换热后从水管出口返回到冷却水塔11，冷却水塔11的出水口还设置有流量调节阀，冷却水塔11提供的循环冷水可以提高换热效率。
31.汽轮机5做功利用发电机9发电对系统外供能，其中还加入了闪蒸器8，部分工质从粉体流换热器2的补汽口进入闪蒸器8进行扩容，扩容后的工质一部分产生低压的饱和蒸汽，此部分进入汽轮机5中进行补汽做功，另一部分闪蒸产生低压力下的饱和液体，这部分低压饱和液体通过工质泵7的回液通道进入工质泵7，在工质泵7的加压后进入粉体流换热器2的工质入口，提高了汽轮发电机组的发电效率。闪蒸器8的具体工作原理为：从粉体流换热器2中出来的工质是经过工质泵7加压和粉体加热的，是一种高温高压的状态，闪蒸器8的压力相当于环境压力，从粉体流换热器2中出来的高温高压工质进入到闪蒸器8中，压力骤降导致闪蒸现象。
32.如图2所示，窑筒壁余热回收装置1采用传热球23作为换热介质，传热球23为灌注相变蓄热材料的钢球粉体，其中相变储热材料采用的是石蜡13，石蜡的相变温度为46℃，潜热为210kj/kg，传热球23由两块半球体钢片通过螺纹固定连接，分别为左半球钢片12和右半球钢片14，为了方便灌注本实施例中石蜡13的充灌量为传热球容积的一半，石蜡13的充灌量为石蜡13在固态时的体积，传热球23半径为0.8~1.5厘米，优选为1厘米，通过传热球23中的石蜡相变储热将窑筒壁辐射热进行回收，结合有机朗肯循环，高温粉体经过粉体流换热器2，工质吸热后热粉体温度降低，低温粉体在重力作用下以密相从粉体流换热器2的板间缓慢通过，由螺旋输送机3输送给粉体输送泵4，粉体输送泵4将低温粉体重新输送到窑筒壁余热回收装置1中继续吸热，构成余热回收机组，本实施例中采用水作为朗肯循环的工质；工质在粉体流换热器2中等压加热汽化为蒸汽，工质蒸汽进入汽轮机5绝热膨胀做功并将功输出给发电机9发电，做功后的工质在冷凝器6中等压冷凝，冷凝后的工质进入到工质泵7中，在工质泵7的加压下再次进入粉体流换热器2中吸热，构成orc机组；也可以将汽轮机5换成膨胀机。
33.如图3~5所示，具体的，本实施例中窑筒壁余热回收装置1由左集热单元15和右集
热单元16两部分集热单元组成，其结构形式为可开启式，两部分集热单元由控制系统来控制安装，每个单元内布置多条粉体通道17，通过热量需求来确定热回收装置的覆盖情况，可单独使用其中一部分集热单元，当窑筒壁余热回收装置1长时间运作，外壁易产生污垢堆积导致换热效率低，采用可开启式的集热装置可以方便对水泥窑的清洗与维修；粉体流换热器2采用的是板式粉体流换热器，包含进料仓21、出料仓22、换热板18和换热间，换热间设置在进料仓（21）与出料仓（22）之间，多个换热板（18）垂直立于换热间，粉体在重力作用下以密相从板间缓慢通过，换热板18表面设有凹槽，即减缓了粉体流动的速度以保证充分换热，又增加了换热面积以减少粉体的换热死角；工质在换热板18的通道自下而上流动，形成逆流换热，传热球23的两半钢片的存在缓解了由传热介质相变产生的压力负担，增加了设备的安全可靠性。
34.如图6~7所示，本实用新型还包括发电机集热装置，发电机集热装置罩设在发电机9外壳周围，发电机集热装置由进水总管19和出水总管20以及设置在发电机9外壳周围的各分管组成，冷却水塔11的冷水出口连接进水总管19，管内冷水吸收发电机9余热后从出水总管20出来，本实施例中将出水总管20出来的热水通入到生活蓄热水池10中进行储备供日常生活用，利用发电机9工作产生的热量，提高了整体热利用率，做到了余热的梯级利用。
35.在使用时，窑筒壁余热回收装置1中的传热球23吸收窑筒壁余热，吸热后的传热球粉体进入到粉体流换热器2中，粉体流换热器中2的工质吸收热粉体的热量以蒸汽的形式进入到汽轮机5中做功，汽轮机5将所做功传输给发电机9发电，做功后的工质经过冷凝器6等压冷凝，再次经过工质泵7的加压后进入到粉体流换热器2中再次换热，冷却水塔11为冷凝器6提供循环冷水；部分工质从粉体流换热器2的补汽口进入到闪蒸器8中，进入闪蒸气8的工质一部分产生低压饱和蒸汽，这部分蒸汽进入到汽轮机5中补汽做功，另一部分产生低压饱和液体，这一部分经过工质泵7的加压后重新进入到粉体流换热器中换热；经过工质换热后的粉体由于重力的作用缓慢下落，螺旋输送机3将传热球粉体输送至粉体输送泵4，在粉体输送泵4的作用下再次进入窑筒壁余热回收装置中再次吸热；发电机9在工作过程也会产生大量热量，在发电机外壳周围设置发电机集热装置，从冷却水塔11中出来的冷水经过发电机集热装置吸收热量后进入到生活蓄热水池10中储备。
36.实施例2：
37.本实施例中采用有机物丙烷作为朗肯循环的循环工质，采用丙烷作为循环工质，丙烷的沸点很低，极易产生高压蒸汽，其工作温度相对较低，不易发生爆炸等事故发电过程相对安全性高；丙烷的蒸发潜热比水小很多，有机朗肯循环可用于高于80度以上的热水或者150度以上的烟气进行发电，而以水作为工质的朗肯循环在余热温度低于300时难以实现；效率高，系统构成简单，不需要设置除氧、除盐、排污及疏放水设施；冷凝器里一般处于略高于环境大气压力的正压，不需设置复杂的真空系统。
38.也可以采用二氧化碳作为有机朗肯循环的循环工质。
39.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，其特征在于：包括窑筒壁余热回收装置（1）、粉体流换热器（2）、粉体输送机构以及蒸汽做功机组；所述窑筒壁余热回收装置（1）的传热介质出口与所述粉体流换热器（2）的传热介质入口连接，粉体流换热器（2）的传热介质出口与所述粉体输送机构的传热介质入口连接，粉体输送机构的传热介质出口与所述窑筒壁余热回收装置（1）的传热介质入口连接形成换热回路，所述换热回路的传热介质为若干个灌注相变蓄热材料的传热球（23）；所述粉体流换热器（2）的热流体出口与所述蒸汽做功机组的工质入口连接，所述蒸汽做功机组的工质出口与所述粉体流换热器（2）的工质入口连接。2.根据权利要求1所述的一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，其特征在于：所述传热球（23）的相变蓄热材料为石蜡（13），所述传热球（23）由两块半球钢片通过螺纹连接组成，石蜡（13）的灌注量小于传热球（23）容积的三分之二，石蜡（13）的灌注量为石蜡（13）在固态时的体积。3.根据权利要求1或2所述的一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，其特征在于：所述传热球（23）的直径为0.8~1.5厘米。4.根据权利要求1所述的一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，其特征在于：所述蒸汽做功机组包括汽轮机（5）、冷凝器（6）、工质泵（7）、发电机（9）以及冷却水塔（11），所述粉体流换热器（2）的热流体出口与所述汽轮机（5）的进汽口连接，所述汽轮机（5）的输出轴与所述发电机（9）的输入轴连接，所述汽轮机（5）的出汽口与所述冷凝器（6）的入口连接，所述冷凝器（6）的出口与工质泵（7）的入口连接，所述工质泵（7）的出口与粉体流换热器（2）的工质入口连接形成做功回路；所述冷却水塔（11）的出水口连接冷凝器（6）水管入口，所述冷却水塔（11）的进水口连接冷凝器（6）的出口。5.根据权利要求4所述的一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，其特征在于：所述蒸汽做功机组还包括发电机集热装置，所述发电机集热装置罩设在发电机（9）外壳周围，发电机集热装置的入口连接冷却水塔（11）的出水口。6.根据权利要求4或5所述的一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，其特征在于：所述冷却水塔（11）的出水口还设置有流量调节阀。7.根据权利要求4所述的一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，其特征在于：所述蒸汽做功机组还包括闪蒸器（8），所述粉体流换热器（2）的补汽口与所述闪蒸器（8）的入口连接，所述闪蒸器（8）的出汽口与所述汽轮机（5）的补汽口连接，所述闪蒸器（8）的出液口与所述工质泵（7）的回液通道连接。8.根据权利要求1所述的一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，其特征在于：所述粉体输送机构包括螺旋输送机（3）和粉体输送泵（4），粉体流换热器（2）的传热介质出口与所述螺旋输送机（3）的传热介质入口连接，螺旋输送机（3）的传热介质出口与所述粉体输送泵（4）的传热介质入口连接，粉体输送泵（4）的传热介质出口与所述窑筒壁余热回收装置（1）的传热介质入口连接。9.根据权利要求1所述的一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，其特征在于：所述窑筒壁余热回收装置（1）由至少两个围设在窑筒壁外侧的集热单元组成，集热单元内设置有多条粉体管道。10.根据权利要求1所述的一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，其特征在
于：所述粉体流换热器（2）为板式粉体流换热器，包括进料仓（21）、出料仓（22）、换热板（18）和换热间，换热间设置在进料仓（21）与出料仓（22）之间，多个换热板（18）垂直立于换热间，所述换热板（18）表面设有凹槽。

技术总结
本实用新型涉及一种基于相变粉体流换热器的窑炉余热利用系统，包括窑筒壁余热回收装置、粉体流换热器、粉体输送机构以及蒸汽做功机组；窑筒壁余热回收装置与粉体流换热器和粉体输送机构依次连接形成换热回路，传热介质为灌注相变蓄热材料的传热球；所述粉体流换热器的热流体出口与所述蒸汽做功机组的工质入口连接，所述蒸汽做功机组的工质出口与所述粉体流换热器的工质入口连接。采用灌注相变蓄热材料的传热球作为换热介质，工质换热的过程中温度波动比较稳定，换热器的压力负担较小，运行过程安全，机组使用寿命延长，且相变蓄热能够减少了粉体传输过程中的热量散失，余热利用率高。高。高。


技术研发人员：孙珂 朱波 刘忠宝 吴阳池 胡庆银 郄志鹏 岳晓娜 孙晗
受保护的技术使用者：山东东华科技有限公司
技术研发日：2022.12.08
技术公布日：2023/5/16